1、- I -风机偏航系统的三维建模指导教师：缪磊、杨树人- II -摘 要风力发电机组是利用风能转化电能的能量转化装置，近年来，随着全球经济的飞速发展，各主要工业国家及发展中国家对于能源的需求已经出现巨大瓶颈，化石能源石油天然气的开采也出现危机，而且全球变暖，气候变化，大气污染严重而导致的物种灭绝，化石能源的开采及利用使人类付出巨大的环境的恶化的代价，警示我们对于不可再生能源要冷静思考，从而开发利用绿色可再生的能源成为近年来的热点，风能作为取之不尽，用之不竭的绿色能源的代表，其应用技术已趋成熟。本文从国家十五计划 863 项目 MW 级风力发电组的设计课题中出发，主要探讨风力发电机组的偏航系统执
2、行机构。由于大气的湍流影响，风场风速随着风场空间及时间瞬时变化，风力发电机组的偏航，就是风力发电机组在非定常风场中随着风速方向变化而经控制系统控制偏航机构执行风轮对准风向的动作过程，实现最大捕捉风能，使机组获得更高效率发电的目的，本文主要从风力发电机组的结构及运行原理介绍偏航系统的结构，然后运用传统计算方法和有限元分析方法对偏航小齿校核，探讨偏航机构的设计过程。本课题运用三维建模软件 Solidworks2007 进行偏航机构建模，偏航减速器零件及其装配体建模，对其运行原理过程制作仿真动画。关键词：风力发电机组；偏航机构；三维建模- III -AbstractWindturbine is a
3、energy conversion device which makes wind energy into electricity energy,At recent years,Along with the high level development of world economic,many industrial countries and developping countries have faced a huge energy problem, the exploitation and useing of fossil energy include petroleum and ga
4、s have been in trouble condition,and the global warming, climate change and The air pollution lead to kinds of animals dying out,we must take in hand the disaster of the enviroment, alarming us wisely to make energy policy, and the topic of taking advantage of the renewable energy has become a hot o
5、ne.wind power can be use unlimitedly and non-pollution ,the technology of the using windpower has been developted rapidly, this thesis is given based on national 863 project of Mega-watt variable speed constant frequency windturbine. To have a research on the windturbine yaw system machine.For the t
6、urbulence of the air in the windmill, the change of wind velocity direction follows time and space,the yaw system action of windturbine that is the yaw control system to control windturbine to face the right direction by yaw machine in the unsteady aerodymics enviroment condition, to make more effic
7、iency from the wind energy conversion process,maxing the energy input.This thesis mainly begins at the operation principium of a wind turbine,and to introduce the yaw machine ,including the validate of yaw gear system,to discuss the design process of the yaw machine.and then use the 3-D Modeling sof
8、tware solidworks to build the model of every parts and assemble them together. Keywords: wind turbine; yaw machine;3-D modeling- IV -目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 绪论.11.1 引言.11.2 国际风力发电技术的发展.71.3 我国风电技术的发展.81.4 本课题的目的及其意义.10第 2 章 风力发电机组偏航系统.122.1 风机主要结构介绍.122.1.1 风力发电机组主要型式结构.122.1.2 水平轴风力发电机组结构.132.2
9、风机设计技术.142.2.1 总体设计.142.2.2 总体参数.162.1.3 动力学设计.182.2.4 可靠性设计.192.3 风机偏航系统的技术要求.202.3.1 一般要求.202.3.2 偏航机构的组成.21第 3 章 风力发电机组偏航机构校核计算.243.1 偏航机构小齿轮校核计算.243.2 偏航机构小齿轮有限元强度分析.29第 4 章 风力发电机组的 Solidworks 建模 .344.1 风力发电机组三维建模.344.2 各部件装配体模型 .34第 5 章 结论.39参 考 文 献.40致 谢.41沈 阳 工 业 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）1第 1
10、 章 绪论1.1 引言近年来随着可持续发展的需要、技术的进步、环境保护意识的增强和有关政策的制定，风力发电技术有了长足的进步，风电产业已发展成为每年有数十亿美元的世界性大市场，世界总装机容量已超过 13000MW，近几年更是以超过 30%的速度增长，是发展最快的一种新能源技术。随着风力发电技术的推广、建设规模的扩大和风力发电产业市场化的深入，在风电设备制造、风电场运行管理、电能质量控制、风电环保问题以及风电与其它形式能源的联合使用等方面还存在一系列技术问题。要使风力发电成为人类发展的一种主要能源，有赖于这些问题的解决。我国风力发电研究已有基础，风力发电制造业也有一定规模，目前已与国外公司合作开
11、发 6001500KW 的风力发电机组，且国产化率不断提高，对叶片和数控系统等研制也取得一定突破，但大型并网型发电机组以及关键技术还有赖进口。加强关键技术研究，采用完全自有知识产权制造技术，以提高风力发电设备的发电效率和改善风电电能质量，是我国风电事业跻身世界先进风电技术行列的契机 1。1、风电成本的降低目前制约风电技术推广应用的一个主要因素是风电投资成本较高，由于风的间歇性及风速、风向的变化性，风力发电设备并不能保证全年发电或满额发电。在风电投资中，主要是风电机组的投资约占 80%，降低风电投资成本应从提高风力发电设备的制造技术水平和风力发电效率两方面着手。（1）风电设备制造技术a.柔性结构
12、目前塔架采用的是刚性结构，如采用轻型柔性结构可大大降低成本。许多文献探讨了两叶片、下风向结构的轻型柔性风力发电机组的设计和动态特性分析问题。但柔性结构引起的高自由度将导致塔架结构的计算和设计困难，这有赖于高精度的空气弹性特性的计算机仿真技术的发展。b.新型风力发电机组和直接驱动沈 阳 工 业 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）2采用可低速运行的发电机组直接与风力机匹配，省去齿轮箱和高速传动装置，在提高几个百分点效率的同时，可减轻系统重量，降低噪声和高速机械磨损，其低成本和维修少的优点，尤其适用于海上风电场。风力发电的低速运行特性，要求发电机组采取特殊结构，目前多为多级结构的永磁
13、同步发电机组，导致发电机组直径增大。如 Enercon 公司的 E-40 型 500KW 无齿轮风电机组，有 84 极，电机直径达到了 4.8M，使机舱有凸出部，影响了空气动力特性。采用垂直轴结构风电机组，因可将多级发电机组安装在地面基座，无空间限制，安装调试容易，可方便地实现无齿轮传动，但过长的力矩传动轴会降低系统刚度，影响系统动态特性。另一种垂直轴型无齿轮风电机组是将多级发电机组安装在叶片处，虽然可避免力矩传动轴过长的缺陷，但同时破坏了安装和调试的方便性。永磁电机的功率因数较差，需通过逆变器或专门的滤波器来补偿，多极小极距导致制造困难，且由于永磁材料价格高昂，限制了这种风电机组的推广。双馈
14、发电机因为能实现变速恒频控制和最大风能捕获控制，可以调节有功和无功功率在风电系统中得到了应用，其特点是由一个交-交循环变流器进行电压分配以及同步和相位控制，并网时基本无电流冲击。变流器因其功率较小，控制绕组可以通过变频器来变频，在实现无齿轮传动方面有一定优势，但其绕线式定子结构限制了这种电机的实际应用，目前对采用新型结构的无刷双馈电机的结构和特性以及变流器和控制方法的研究成为一个热点。风电机组采用柔性结构会使其动态复杂化，加之风的随机变化性，要求控制算法对未建模动态和参数变化具有强鲁棒性，以适应变化较宽的工作条件。c.并网风电机组的大型化风电机组的大型化有利于提高风能利用效率和占地使用效率，降
15、低了单位功率造价。20 世纪 90 年代后，500750kw 的机组已成为风电场的主导机型，其中变浆距型机组已达 750kw，国外研制的兆瓦级巨型风力发电机组已在商品化进程中。但大于 800kw 后，增大容量对降低制造成本已无明显影响，但大型化有助于维修和降低运行成本。(2)风电运行成本的降低运行成本的降低可通过提高效率和运行管理技术水平来实现。应用计算机监控系统对风电场进行管理，可有效提高风力发电能力。而采用新材料和更符沈 阳 工 业 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）3合空气动力特性的叶片翼形以及利用可变螺旋桨叶片原理设计的风力机叶片，可提高风力发电机的应用风速范围和风能利
16、用效率。当发电机组采取速度可调节的运行方式时，在高风速情况下，系统以高速转动惯量方式储存能量，在低风速时以转动惯量补偿风力的不足，可提高发电量 2030%，并可使传动系统具有更平滑的转矩动态，减小了对机械部件的瞬态冲击，延长了主要机械部件的使用寿命。结合变速恒频控制方案，还可对风电质量进行控制。有两种调速实现方式，即变桨距方式和变速方式。变桨距方式通过采用液压机构调节桨距角，从而改变作用在叶片上的空气动力转矩，这种方式叶片制造复杂，增加了成本，只适用于中大型风力发电机组。由于空气动力特性的描述很复杂，目前都是采用风力机的静态空气动力特性，这使变桨距的快速性和控制精度难于保证，且是以牺牲部分风能
17、为代价。变速控制是通过调节发电机的电磁转矩实现，适于定浆距型风力机，但定浆距风力发电系统的调速需用变流装置，控制方案的实施比较困难，但因使系统具有“柔性” ，减小了应力和空气噪声且成本低，得到了越来越多的研究和应用，为使其能在更宽的风速范围内运行，也有两种方法共用的，西班牙半数以上的风电机组为变速控制式。2、风力机设计与制造根据贝兹理论，可从流动空气中捕获的理论极限空气功率为 59.3%，目前的风力机叶片在静态条件下捕获功率比例在 8,6 左右，在风速和风向扰动下还达不到该比例，这方面还有较大提升空间。风速、风向的变化使作用在叶片上的空气动力特性很复杂，水平轴风力机是典型的旋转流体机械，涉及到
18、流体三维旋转边界层理论、三维紊流流出数值计算和动态旋转流场测量等技术。提高风力机风能捕获效率，优化风力机叶片结构，要从深入研究风的本质结构入手，尤其是风的紊流和极值特性。由于失速效应，目前风力机应用的空气动力转矩理论公式与实测值在高风速时有较大差异，静态失速效应可通过加入影响因子的方法来修正，目前所采取的修正方法存在局限性，有待从理论上找到更适用的解决方法。空气动态负荷对风力机叶片有决定性影响，由于限制条件较多，还没有找到通用可靠的动态负荷计算方法，要通过空气动力学与结构力学的结合加以解决。沈 阳 工 业 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）4叶片的设计要综合考虑空气动力和结构弹
19、性特性，以及负载与成本间的指标函数，这有赖于更精确的数字优化计算软件的开发，,20 世纪.90 年代初开发的第一代叶片数字设计方法，主要以最大风能捕获为设计目标，而最近开发的第二代数字优化设计方法则直接将目标对准了风力机的每 23 造价。随着风力发电技术的广泛应用，风力机的噪声也是一个必须面对的问题，依据空气声学原理，结合更先进的叶片制造工艺和消声材料的应用，风力机所产生的噪声有望减小到可以接受的程度。另外，风电机组的外形设计可以根据周围环境，因地制宜的选型和设计，以避免风电机组给人以千篇一律的视觉印象。现在的风力机多采用水平轴式（约占 97%） ，垂直轴风力机较少应用的原因是其不能改变叶片攻
20、角，调速困难，且需钢索拉撑，无自启动能力，但其结构易于实现无齿轮传动。现代电力电子技术和控制技术的发展，通过电力变流器来实现变速运行是完全可行的。风力机多为三叶片式，三叶片式与二叶片式相比有更平滑的输出功率和平衡回转力矩，功率系数可增加 5%，但是造价却增加了 50%。因此，从功率系数、叶尖速比、造价、机舱重量、结构动态和偏航速度等综合考虑，二叶片式有更多的优越性。3、风电并网与电能质量控制风电在电力中的比例逐年增加，风电的特殊性质对电力规划和调度来说，是需认真解决的新问题。另外，在风力资源丰富地区，电网往往较弱，风电对电网间的影响也是应该考虑的问题。(1)风电的可靠性由于风资源的间歇性特点，
21、风电的可靠性受到置疑。风电可靠性的准确计算，对于确定风电场建设规模，最大限度的利用风力资源和保护常规能源等至关重要。用电力不足概率法（LOLP）可以较客观地评价风电的可靠性，在电力不足概率法中，将一年分成若干具有等概率分布的区间，在计及平均风速、风速变化量、风电在总电力需求中所占比率、不同风电场间风速的相关性以及风速与电力负荷间的相关性等因素下，通过计算平均每天的电力不足概率得到总的电力不足概率。在风电小容量（10%以下）时，因大型风电场风机数量多和空间分布广，平均作用使电力容量可信度与风电机组的容量系数相同， 约20%40%。当风电比例提高时，风电容量可信度将下降为风电机组容量系数沈 阳 工
22、 业 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）5的 5075%。由于风电和电力需求的变化性，风电装机容量为 50%-时，风力发电量就可能超过总电力需求，多余的电能要有相应的解决措施，同时要求配备反应快的其它发电或调节设施。虽然风力发电无法规划，但可根据风力短期预测来减少不确定性。丹麦计划 2030 年风电将满足总电力需求的 50%，其国家实验室的风能研究中心基于数字气象模型，并根据风电场的具体情况对数字气象模型做了必要的修正，可以基于 4 小时前的数据提前预测 34 小时的风力发电量，这对于风电进入电力市场至关重要。（2）风电对电网的影响随着风电容量的增加，尤其是当风机采取变速运行方
23、式时，风电对并网电能品质的影响越来越不容忽视。风电国际标准对风电机组发电功率、谐波、固定时间内启动的机组台数、电压闪变等都做了规定。a、对电网电压影响由于风电的有功功率，一般会使电压上升，但无功功率的消耗（风电机组多为感应电机） ，又会使电压降低。兆伏级变电站通常装有电压调节装置，风电只影响接入点到变电站的线路电压。对于这种影响，可通过电压型功率调节来补偿。当高风速引起过电压过高时，可用断开风电的方法调节。阵风还会引起电网电压的闪变，对于风电机组数量较多的大风电场，由于风电机组的平均作用，阵风引起的电压闪变较小，可以忽略。但对于功率大而数量少的风电场，则必须考虑电压闪变的影响。b、对无功功率的
24、影响感应电机消耗无功功率，大电网基于减小损失而限制无功功率，弱电网则需考虑无功功率消耗对电压的影响。对于弱电网，无功功率的消耗会减少风电的输出，评价弱电网的稳定性也必须考虑无功功率的影响。现代风电机组多为感应电机，一般采用电容器组对无功功率进行补偿。C、风电注入的谐波影响对于机组数量较多的风电场，由于风电机组的空间分布和平均作用，直接接入电网的定转速运行式感应风电机组所引起的谐波通常可忽略，但对于变速运行式风电机组，尤其是通过电力变流装置实现变速的风电机组，转速的变化以及电力电子器件所带来的谐波，都会引起电压谐波畸变。因高压侧电流小，沈 阳 工 业 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论
25、文 ）6在电网侧采用 PWM 变流器有利于消谐。采用强迫换流的半导体开关器件构成的 PWM 电力变流器，可将谐波分量转换为高频分量，从而可方便地滤除。D、风电电能质量控制风力发电机组与电网并联运行时，要求风电频率、电压与电网一致，需在风电机组与电网间加装电力变流装置。采用在定子侧的全额变频器，会使成本、重量和体积增加。无刷双馈发电机励磁可调节励磁电流频率、幅值和相位调节励磁电流频率，可实现变速恒频控制；改变励磁电流幅值和相位，可达到调节输出有功和无功的目的；其最大优点是变频器位于控制绕组与电网之间，变频器容量只是主机容量的 1/31/4。另外，其双绕组和变频结构使发电机定子结构和变频器经适当设
26、计，能低转速运行，从而实现发电机与风力机的无齿轮直接驱动。4、独立运行风电机组、储能设备以及与其它形式能源联合发电独立运行风力发电机组可充分利用风力资源，因地制宜地解决边远地区或一些特殊场合的用电问题。独立运行风电机组只有与储能装置以及其它形式的能源配合使用，才能提供稳定可靠的电力供应。基于从完全清洁能源的角度考虑，风力= 太阳能混合发电系统是一种较理想的搭配。风力与太阳能有着天然的互补效应，采用风光互补发电结构形式，可以减少储能装置（如蓄电池）容量，有效降低运行成本。在这种混合式发电系统中，多种不可控能源发电的效率控制是个难题，现有研究成果还不能令人满意。另外，基于多种能源发电设备、储能设备
27、的能量管理需要的数据采集系统也是一个需要研究的内容，该系统可优化、谐调各部分运行状况，对储能设备进行智能化充电管理，以尽量延长储能设备的使用寿命。对于风力资源的综合利用，如为电动汽车蓄电池充电，风电制氢技术也值得研究。近 15 年来，风力发电技术无论是在基础理论研究，还是在实验手段和生产制造上，都取得了长足进步。风力发电技术要具备与传统发电技术相当的竞争力，成为人类发展的主要能源，除了人类环保意识的增强和有关鼓励政策的出台外，首先在技术上要更进一步，在包括空气动力学、空气弹性力学、新型风力发电机、并网技术、变速恒频技术及相关的电力电子技术和现代控制技术等领域进行广泛深入的研究，以建设我国具有自主知识产权的风电产业。
